读博2个月即获意外发现！他手握2篇顶刊，革新了发电概念

文 | 孙滔

2018年4月27日，美国麻省大学安姆斯特分校电子工程系姚军实验室。如往常一样，25岁的一年级博士生刘孝猛在测量一种蛋白质纳米线的导电性。这不是确定的课题，导师姚军只是让他“玩”，看看有没有可能把这种材料做成“绿色”的电子器件。

意外的事情发生了：刘孝猛忘记了给器件施加偏压，可是蛋白质纳米线装置却发出了电信号！

电信号很弱，那是系统噪声，还是真实的电信号？刘孝猛随后把电极正负极连接对调，结果发现电信号同时发生了反转。他确认这不是噪声，而是确定的电信号。

电流凭“空”产生了！得知这个异常结果后，姚军也兴奋不已，当晚就给刘孝猛发邮件，鼓励他继续跟进。经过数月探究，他们最终确认，这个电流产自大气中自然存在的水汽。

众所周知，闪电即来自带有电荷的云层，姚军团队相当于创建了一个微型的人造云。他们的这个装置会吸收带有电荷的水分子，从而产生电压梯度，且这个电压梯度可以在环境中长时间保持动态平衡，已有的测试时间超过了10个月。

2020年2月17日，这项题为《使用蛋白质纳米线从环境湿度发电》在《自然》杂志发表。

只是这种导线是由地杆菌生产的，产量甚微，若要推广湿度发电，就需要测试其它材料。于是他们持续攻关，证明了环境中水气发电材料不局限于蛋白质纳米线，而是适用于无机、有机和生物等几乎所有材料。2023年5月5日，该研究发表在材料学顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

湿度无处不在，那么无论昼夜阴晴，无论有风或无风，这种湿度发电机都可以运行。这就给人们带来巨大的想象空间：智能手机或许可以不再使用传统电池，而可以靠湿度发电来永久续航，甚至房屋居所可以实现自供能。投资人也纷纷来询问商业化的可能性。就连艺术家都急迫想要尝试这种新奇之术，在他们看来这个太酷了。

所有这些的源头，就是刘孝猛的那次意外发现。姚军说：“一般情况下你会觉得那是一个错误，但我们没有把它当作一个错误。”

不过该发现被认可的过程并非一帆风顺。

刘孝猛（左）和导师姚军（右）在实验室 受访者供图

磨人的审稿

刘孝猛在2018年2月入学，4月底就发现了湿度发电现象，接下来的实验验证部分却走了两个月弯路。

因为初始装置中的2个电极在同一个平面上，此时的电信号并不稳定。刚开始刘孝猛一直试图调整2个电极之间的高度差，以保证电信号的稳定输出，但效果总是不好。直到暑期，经过不断的探索与文献调研，他们将器件结构改为垂直结构，终于获得稳定输出并且可重复的实验结果，至此电信号稳定输出问题得到完美解决。

论文很快就写完了，在当年底就投了出去。不料想，接下来的审稿过程竟然有四五个来回，且每个来回都要两个月之久。

《自然》审稿人并没有挑剔实验数据，因其足够令人信服，但对于为什么会产生这个现象，就有了数个回合的答疑解惑。

姚军告诉《中国科学报》，有的审稿人起初不是很欣赏他们的工作，甚至审稿人之间的意见也有冲突。柳暗花明终有时，数轮来回后的某一天，那位揪着湿度发电机理不放的审稿人终于表示，他对论文没有疑问了。最大的问题解决了，这才让姚军和刘孝猛长舒一口气。

这篇《先进材料》论文一样经历了一连串的审稿考验。其实在投《先进材料》之前，他们投过多个期刊，其中一个期刊在审理近一年几乎接受的情况下，某个审稿人却表示他对其中的某个环节不理解。姚军表示，其实这个审稿人没有强烈反对，但该刊编辑觉得这可能是一个负面评价，就拒稿了。

姚军实验室发表的《自然》和《先进材料》论文截图

“你们可以拿去玩一下”

在刘孝猛看来，这个意外发现源于姚军实验室足够自由的探索氛围。

这是一个新建课题组。姚军刚从美国哈佛大学博士后出站不久，他的本科和博士生涯分别在复旦大学和美国莱斯大学度过，而刘孝猛则是姚军于2017年9月入职麻省大学后带的首批3名博士生之一。

刘孝猛1993年出生，2014年毕业于北京化工大学应用化学专业，之后他成了中国人民大学和中国科学院化学研究所的联合培养硕士生，在化学所度过了两年多的时间。2017年7月，他看到姚军实验室招收博士生的消息，于是尝试联系姚军，很快就得到了回应。

刘孝猛联系导师的时候，姚军刚刚在大名鼎鼎的纳米科学领导者查尔斯·利伯（Charles Lieber）门下开发了纳米线组装技术，可以实现无序纳米线的定向排列。姚军初步的设想是，刘孝猛可以在入学后利用该技术构建3D结构的纳米器件，用于细胞电信号与力学信号的检测。

在入职后搭建实验平台期间，姚军了解到了本校微生物学家德里克·洛维利（Derek Lovley）发现的蛋白质纳米线，于是抱着试一试的心态，他们拿到了一两毫升样品。这才有了后来的故事，这也让刘孝猛的研究领域从生物电子器件跳转到了能源领域。

在刘孝猛看来，还在白手起家阶段的姚军实验室反而给了他们各种尝试的机会。导师当年把借来的蛋白质纳米线交给刘孝猛的时候，说“你们可以拿去玩一下”，不承想这一“玩”就催生了一个颠覆人们观念的发现。

由蛋白质纳米线和电极组成的湿度发电装置示意图。图源：姚军实验室网站

可以“传染”的成功

自由的氛围需要强大的自驱力，刘孝猛他们经常在实验室待到晚上十一二点。

让刘孝猛颇多感慨的是，导师给予的自由氛围不仅让他一个人独享成功，同期的其他两位博士生也找到了自己的方向，并屡有斩获：

一位博士生利用同样的蛋白纳米线开发出了极低功耗的忆阻器，是一种仿生电子元件，同时发表了一篇《自然通讯》论文；另一位博士生利用硅米线做出了可以同时测量细胞兴奋-收缩耦联的传感器，发表了一篇《科学进展》论文。

姚军说，他们已经形成了一个良性的研究模式，即能量、传感、计算这3个模块相互交叉、相互成就。

至于刘孝猛自己，除了两篇顶刊论文，他还获得了2021年起为期两年的Link基金会能源奖学金，金额为每年3.4万美元。

在讲述这些成果的时候，刘孝猛并未显得多么亢奋，他已经能用平和的心态看待已有成绩了。他更看重自己科研素养的提升，顶刊论文和奖学金只是一个科学家职业训练的必要过程而已，如何独立思考以及如何整合已有资源去完成研究项目才是重要的。他同时看到，把自己的观点向科研界同行推销出去，一样是职业科学家的重要能力。

他在导师身上习得的不仅仅是研究能力，姚军从利伯实验室学到的管理作风也影响到了刘孝猛，毕竟那是走出杨培东、崔屹、戴宏杰等华裔知名学者的实验室。

他们写就的很可能是一个经典的科学故事：一个意外的发现引出一个假设，于是科学家开始验证假设，并提出了一个更加通用的结论，最终为人类的某种理论革新或技术革命奠定了基础，只是湿度发电的应用还有诸多细节如规模集成需要探究。

祝他们走得更远。

参考资料：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300748

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9